بخشی از مقاله
چکیده
نانوپودر نیترید آلومینیوم به دلیل خاصیت عایق الکتریکی و هدایت حرارتی بالا میتواند در کاربرد های الکتریکی جایگزین مناسبی برای اکسید بریلیم، که مادهای سمی است، باشد. روشهای مرسوم تولید نانوپودر نیترید آلومینوم روشهای پیچیده، هزینهبر و کند میباشند، در مقابل استفاده از فرآیند انفجار الکتریکی سیم - EEW - برای تولید این پودر میتواند جایگزین بسیار عالی برای روشهای مرسوم باشد.
در این پژوهش از روش انفجار الکتریکی سیم در محیط مایعات غیر آبی برای ساخت نانو پودر نیترید آلومینیوم استفاده شد. محصولات براساس دو محلول آمونیاک و هپتان ساخته شدند و مورد بررسی فازی و ساختاری قرار گرفتند. نتایج نشان داد که ساخت نیترید آلومینیوم با استفاده از آمونیاک در این روش امکان پذیر نیست ولی می توان با استفاده از مخلوط هپتان و هگزامین به نیترید آلومینیوم دست یافت.
مقدمه
نیترید آلومینیوم اولین بار در سال 7711 سنتز شد، اما برای اولین بار در اواسط دههی 7871 میلادی بود که به دلیل هدایت حرارتی بالا و خاصیت عایق الکتریکی در کاربردهای میکروالکترونیکی مورد استفاده قرار گرفت.[1] از روشهای اصلی تولید نانوپودر نیترید آلومینیوم میتوان به روشهای احیا کربوترمال - واکنش بین آلومینا، کربن و گاز نیتروژن - و نیتریده کردن مستقیم - نیتریده کردن پودر آلومینیوم توسط گاز نیتروژن - اشاره کرد. روش های دیگر مانند آرک پلاسما و انفجار الکتریکی سیم - Electrical Explosion of Wire - نیز وجود دارند.[1]
در سال 7811 امکان تولید نیترید آلومینیوم به روش انفجار الکتریکی سیم مورد بررسی قرار گرفت. ضریب تبدیل بالا، تبدیل مستقیم انرژی الکتریکی به حرارت و تجهیزات ساده، دلایلی هستند که این روش را برای تولید نانوپودر های فلزی و آلیاژی بسیار مناسب کرده است.[2] روش انفجار الکتریکی سیم را میتوان در محیطهای مایع و گاز مورد استفاده قرار داد. تولید نانوپودر های نیترید آلومینیوم با اندازه ذرات 61 نانومتر توسط روش انفجار الکتریکی سیم در محیط گاز نیتروژن گزارش شده است.[1] پارامتر های موثر - فشار، دما - بر شرایط گاز نیتروژن مورد استفاده در این فرآیند که بر روی اندازهی ذرات تاثیر گذار است مورد بررسی قرار گرفته است.[3]
برای بکار گیری روش انفجار الکتریکی سیم در محیطهای محلول، به دلیل ساختار پیچیدهتر محلولها نسبت به گازها و واکنشهای پیچیدهتر، باید در انتخاب محلول دقت کافی را داشت. آب به عنوان محلول برای انفجار سیم آلومینیوم مورد استفاده قرار گرفته که محصول حاصل شده اکسیدهای آلومینیوم - آلفا و گاما - بودهاست.[4] طبق بررسیهای انجام شده در محلولهای حاوی ترکیبات هیدروکربنی تولید کاربید فلزات امکان پذیر میباشد.[5] برای تولید نیترید آلومینیوم چون دمای تصعید نیترید آلومینیوم پایین و حدود 6162 درجه کلوین می باشد، در صورت استفاده از محلولهایی که دمای واکنش را بسیار بالا ببرند، احتمال تشکیل نیترید آلومینیوم بسیار کم می باشد.[5] در محلول سوسپانسیون هگزا اتیلن تترا آمین در دکان تشکیل 61 درصد نیترید آلومینیوم به همراه 71 درصد کاربید آلومینیوم گزارش شدهاست.[5]
فعالیت های تجربی
برای تولید نانو پودر نیترید آلومینیوم از روش انفجار الکتریکی سیم در محیط محلول استفاده کردیم. در این پژوهش با توجه به تازه بودن روش تولید، یکی از اصلیترین چالشهای ما انتخاب محیط محلول مناسب برای فرآیند بود، به نحوی که از حضور اکسیژن در محیط جلوگیری شود. نکتهی دیگری که باید در انتخاب محلول در نظر گرفته میشد، غیرقابل اشتعال بودن محلول مورد استفاده بود. در نهایت پس از بررسیهای میدانی، امکان پذیری فرآیند برای محلولهای مختلف بررسی شد و آزمایش برای محلولهای آمونیاک و محلول سوسپانسیون هگزا متیلن تترا آمین - CH2 - 6N4 در هپتان C7H16 انجام شد.
محلول آمونیاک محلول در آب - ساخته شرکت مرک آلمان - تهیه شد. در این آزمایش از سیم آلومینیوم با قطر 1.72 میلیمتر استفاده شد و ولتاژ روی 111 ولت تنظیم گردید. محلول سوسپانسیون هگزا متیلن تترا آمین در هپتان با غلظت 1 درصد محلول دیگری بود که مورد استفاده قرار گرفت. این محلول در حدود 01 دقیقه قبل از آزمایش در همزن مکانیکی به صورت معلق درآمد. سیم آلومینیوم خالصی به قطر 1.72 میلیمتر استفاده شد، همچنین ولتاژ دستگاه روی 511 ولت تنظیم شد.
جداسازی پودر از محلولها توسط دستگاه سانتریفوژ 01 هزار دور در دقیقه انجام شد و پودرها را به مدت 61 ساعت در دمای 711 درجه سانتیگراد تحت خلا خشک گردید. پودر حاصله در آمونیاک سفید رنگ و در محلول سوسپانسیون هگزا متیلن تترا آمین در هپتان مشکی رنگ بوده که برای شناسایی ساختار پودرها از روش XRD و دو کارت استاندارد به شمارههای 46-1200 و 20-0011 و برای مشاهده شکل ذرات پودر و بررسی اندازهی کیفی آنها عکس هایی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - FESEM - گرفتهشد.
نتایج و بحث
نتایج پراش اشعه ایکس نمونه تولید شده در آمونیاک در نمودار شماره 7 مشاهده میشود. این الگوی بدست آمده مربوط به هیدروکسیل آلومینیوم یا همان بایریت میباشد. طبق اطلاعات بدست آمده از پراش اشعه ایکس - XRD نمودار شماره - 6 فاز اصلی تشکیل شده از فرآیند EEW در محلول سوسپانسیون هگزا متیلن تترا آمین در هپتان آلومینیوم نیترید با ساختار کریستالی مکعبی میباشد. زاویهی هر سه پیک اصلی نمونه - یعنی زاویه های - با نمونه استاندارد مطابقت دارد. البته وجود مقداری ناخالصی اجتناب ناپذیر است.
